hemija. Prostorni izomerizam Postojanje optičkih izomera je moguće za

Sadržaj članka

OPTIČKA IZOMERIJA."Kada se molekul pogleda u ogledalo", članak objavljen u izdanju američkog časopisa iz juna 1996. godine posvećenom obrazovanje iz hemije(Journal of Chemical Education). A na prvoj stranici naslovnice ovog broja bio je i neobičan crtež. Sa strane je prikazan pas koji dobro maše repom strukturnu formulu penicilamin. Pas se pogledao u ogledalo, a odatle ga je pogledala strašna zvijer s razgolićenim očnjacima i dlakom koja se digla na glavi. Na strani zvijeri bila je prikazana ista strukturna formula u obliku zrcalne slike prve. Zašto zapravo ista supstanca ima tako različite izglede? To se objašnjava posebnim svojstvom nekih kemijskih spojeva, koje je usko povezano s njihovom optičkom aktivnošću.

Polarizacija svjetlosti i optička aktivnost.

Početkom 19. vijeka Engleski fizičar, astronom i ljekar Thomas Young pokazao je da se svjetlost može smatrati talasom. Francuski fizičar Augustin Fresnel otkrio je da su svjetlosni valovi poprečni: oscilacije u njima se javljaju okomito na smjer kretanja (poput valova na površini vode: val teče naprijed, a plovak na vodi oscilira gore dolje). Već u 20. veku utvrđeno je da je svjetlost elektromagnetni talas, kao i radio talas, samo što je talasna dužina svetlosti mnogo kraća. Izraz "elektromagnetno" znači da svjetlost ima električna i magnetska polja koja periodično osciliraju, poput valova na površini mora. Sada nas zanimaju samo fluktuacije električno polje. Ispostavilo se da se ove oscilacije ne događaju nasumično, već samo okomito na smjer svjetlosnog snopa. U običnoj svjetlosti (emituje je, na primjer, sunce, žarulje sa žarnom niti), oscilacije se javljaju nasumično, u svim smjerovima. Ali, prolazeći kroz neke kristale, na primjer, turmalin ili islandski špart (prozirna vrsta CaCO 3 kalcita), svjetlost dobija posebna svojstva: kristal, takoreći, "odsijeca" sve oscilacije električnog polja, osim one koja se nalazi u određenoj ravni. Slikovito rečeno, snop takve svjetlosti je poput vunene niti koja se provlači kroz uski razmak između dvije oštre oštrice brijača.

Francuski fizičar Etienne Louis Malus vjerovao je da se svjetlost sastoji od čestica sa dva pola “sjever” i “jug”, a u svjetlosti koja prolazi kroz islandski špalir, svi polovi su okrenuti u jednom smjeru. Stoga je takvo svjetlo nazvao polariziranim. Utvrđeno je da je svjetlost djelomično polarizirana tako što se reflektira pod određenim uglovima od sjajnih površina dielektrika, poput stakla, ili lomi od njih. Teorija o Malusu nije potvrđena, ali ime je ostalo. Ljudsko oko ne može razlikovati običnu svjetlost od polarizirane svjetlosti, ali se to lako može učiniti pomoću najjednostavnijih optičkih instrumenata - polarimetara; koriste ih, na primjer, fotografi: polarizacijski filteri pomažu da se riješi odsjaja na fotografiji, koji nastaje kada se svjetlost reflektira od površine vode.

Ispostavilo se da kada polarizirana svjetlost prolazi kroz neke tvari, dolazi do zanimljivog fenomena: ravnina u kojoj se nalaze "strelice" oscilirajućeg električnog polja postupno rotira oko ose duž koje ide snop. Ovaj fenomen je prvi otkrio francuski fizičar Francois Dominique Arago 1811. godine u kristalima kvarca. Prirodni kristali kvarca imaju nepravilnu, asimetričnu strukturu, a dijele se na dvije vrste, koje se razlikuju po svom obliku, poput predmeta od svoje zrcalne slike. Ovi kristali rotiraju ravan polarizacije svjetlosti u suprotnim smjerovima; zvali su se dešnjaci i ljevoruki.

Godine 1815. drugi francuski fizičar Jean Baptiste Biot i njemački fizičar Thomas Seebeck ustanovili su da neke organske tvari (na primjer, šećer ili terpentin) također imaju ovo svojstvo, ne samo u kristalnom, već iu tekućem, otopljenom, pa čak i plinovitom stanju. Tako je dokazano da se optička aktivnost može povezati ne samo s asimetrijom kristala, već i s nekim nepoznatim svojstvom samih molekula. Ispostavilo se da, kao iu slučaju kristala, neki hemijska jedinjenja mogu postojati u obliku i desnorukih i ljevorukih varijanti, a najpažljivija hemijska analiza ne otkriva nikakve razlike među njima! U stvari, to je bio novi tip izomerizma, koji je nazvan optički izomerizam. Pokazalo se da pored desnorotirajućih i levorotacijskih postoji i treća vrsta izomera - optički neaktivna. Ovo je 1830. otkrio poznati njemački hemičar Jens Jakob Berzelius koristeći kao primjer grožđanu (dihidroksisukcinsku) kiselinu HOOCCH(OH)CH(OH)COOH: ova kiselina je optički neaktivna, a vinska kiselina potpuno istog sastava ima pravu rotaciju u rješenje. Kasnije je otkrivena "lijeva" vinska kiselina, koja se ne nalazi u prirodi - suprotno od desnorotacione.

Možete razlikovati optičke izomere koristeći polarimetar, instrument koji mjeri ugao rotacije ravni polarizacije. Za otopine ovaj kut linearno ovisi o debljini sloja i koncentraciji optički aktivne tvari (Biotov zakon). Za različite tvari, optička aktivnost može varirati u vrlo širokom rasponu. Dakle, u slučaju vodenih otopina različitih aminokiselina na 25°C, specifična aktivnost (označena je kao D i mjeri se za svjetlost talasne dužine od 589 nm pri koncentraciji od 1 g/ml i debljini sloja od 10 cm) iznosi 232° za cistin, 86, 2° za prolin, 11,0° za leucin, +1,8° za alanin, +13,5° za lizin i +33,2° za asparagin. Savremeni polarimetri omogućavaju merenje optičke rotacije sa veoma visokom preciznošću (do 0,001°). Takva mjerenja omogućuju vam da brzo i precizno odredite koncentraciju optički aktivnih tvari, na primjer, sadržaj šećera u otopinama u svim fazama njegove proizvodnje, od sirovih proizvoda do koncentriranih otopina i melase.

Pasteurovo otkriće.

U toku istraživanja Pasteur je dobio kiselu natrijevu sol grožđane kiseline C 4 H 5 O 6 Na, zasitio rastvor amonijakom i polako isparavanjem vode dobio prekrasne prizmatične kristale natrijum amonijum soli C 4 H 3 O 6 NaNH 4 . Ispostavilo se da su ovi kristali asimetrični, neki od njih su bili, takoreći, zrcalna slika drugih: polovina kristala imala je jednu karakterističnu stranu na desnoj strani, dok su drugi imali jednu na lijevoj strani. Naoružan lupom i pincetom, Pasteur je podijelio kristale na dvije hrpe. Njihova rješenja su, očekivano, imala suprotnu optičku rotaciju. Pasteur se tu nije zaustavio. Iz svake otopine izolirao je originalnu kiselinu (koja je bila neaktivna). Kakvo je bilo njegovo iznenađenje kada se ispostavilo da je jedno rješenje dobro poznata destrorotirajuća vinska kiselina, a drugo ista kiselina, ali rotirajuća ulijevo!

Sećanja očevidaca svedoče o neverovatnom nervoznom uzbuđenju mladog naučnika, koje ga je u tom trenutku obuzelo; Shvativši šta je uspio, Pasteur je istrčao iz laboratorije i, susrevši laboratorijskog asistenta u kabinetu fizike, pojurio k njemu i, zagrlivši ga, uzviknuo: "Upravo sam napravio veliko otkriće!" A sastojao se u činjenici da je odavno poznata neaktivna vinska kiselina jednostavno mješavina jednakih količina također poznate „desne“ vinske kiseline i do tada nepoznate „lijeve“. Zbog toga mješavina nema optičku aktivnost. Za takvu mješavinu počeo se koristiti naziv racemat (od latinskog racemus grožđe). A dva antipoda vinske kiseline koje je dobio Pasteur zvali su se enantiomeri (od grčkog enantios suprotno). Pasteur je za njih uveo oznake L- i D-izomera (od latinskih riječi laevus lijevo i dexter desno). Kasnije je njemački hemičar Emil Fischer povezao ove oznake sa strukturom dva enantiomera jedne od najjednostavnijih optički aktivnih supstanci, gliceraldehida OHCH 2 CH(OH)CHO. Godine 1956., na prijedlog engleskih hemičara Roberta Kahna i Christophera Ingolda i švicarskog hemičara Vladimira Preloga, uvedene su oznake S (od latinskog zlokobnog lijevo) i R (latinski rectus desno) za optičke izomere; Racemat je označen simbolom RS. Međutim, prema tradiciji, stare oznake se također široko koriste (na primjer, za ugljikohidrate, aminokiseline). Treba napomenuti da ova slova označavaju samo strukturu molekula (“desni” ili “lijevi” raspored određenih hemijskih grupa) i nisu u vezi sa smjerom optičke rotacije; potonji je označen znakovima plus i minus, na primjer, D()-fruktoza, D(+)-glukoza.

Osim "ručne metode", Pasteur je otkrio još dvije metode za razdvajanje racemata na dva antipoda. Biohemijska metoda se zasniva na selektivnoj sposobnosti nekih mikroorganizama da apsorbuju samo jedan od izomera. Na primjer, gljiva Penicillum glaucum, koji raste na razrijeđenim otopinama vinske kiseline ili njenih soli, "jede" samo desni izomer, ostavljajući lijevi nepromijenjen.

Treći način odvajanja racemata bio je čisto hemijski. Ali za njega je bilo potrebno unaprijed imati optički aktivnu supstancu, koja bi, u interakciji s racemskom smjesom, iz nje "odabrala" samo jedan enantiomer. Na primjer, optički aktivna organska baza dala je optički aktivnu sol sa vinskom kiselinom, iz koje bi se mogao izolirati odgovarajući enantiomer vinske kiseline.

Teorija optičkog izomerizma.

Pasteurov rad, koji je dokazao mogućnost "cijepanja" optički neaktivnog spoja na antipodne enantiomere, u početku je izazvao nepovjerenje kod mnogih hemičara. Čak ni sam Biot nije vjerovao svom pomoćniku, sve dok nije vlastitim rukama ponovio svoje iskustvo i bio uvjeren da je Pasteur u pravu. Ovo i kasniji Pasteurovi radovi privukli su veliku pažnju hemičara. Uskoro je Joseph Le Bel, koristeći treću Pasteurovu metodu, podijelio nekoliko alkohola u optički aktivne antipode. Johann Wislicenus je ustanovio da postoje dvije mliječne kiseline: optički neaktivna, nastala u kiselom mlijeku (fermentirana mliječna kiselina), i desnorotirajuća, koja se pojavljuje u radnom mišiću (meso-mliječna kiselina). Takvih je primjera bilo sve više i bila je potrebna teorija da se objasni kako se molekuli antipoda međusobno razlikuju. Takvu teoriju stvorio je mladi holandski naučnik Van't Hoff. Prema ovoj teoriji, molekuli, kao i kristali, mogu biti "desni" i "lijevi", kao zrcalna slika jedni drugih. Najjednostavniji primjer bio takav. Atom ugljika u organskim jedinjenjima je četverovalentan, od njega su usmjerene četiri kemijske veze jednakih uglova na vrhove tetraedra. Ako su svi atomi ili grupe atoma koji se nalaze na vrhovima tetraedra i povezani sa centralnim atomom ugljika različiti, tada su moguće dvije različite strukture koje se međusobno ne kombiniraju rotacijom u prostoru. Ako su barem dva od četiri supstituenta ista, molekule će postati potpuno identične (to je lako provjeriti pomoću modela šibica i plastelina u boji). Takve strukture, koje se međusobno razlikuju kao desna ruka od lijeve, nazivaju se kiralnim (od grčkog nasljednika). Dakle, optička aktivnost je posljedica prostornog izomerizma (stereoizomerizma) molekula.

Atom ugljika vezan za četiri različita supstituenta naziva se asimetričan. Atomi ostalih elemenata silicijuma, dušika, fosfora, sumpora također mogu biti asimetrični. Međutim, spojevi bez asimetričnih atoma ugljika također mogu biti optički aktivni ako mogu postojati u obliku dva zrcalna izomera. Molekul će biti asimetričan ako nema niti jedan element simetrije, niti centar, niti ose, niti ravan simetrije. Primjer je molekul alena H 2 C=C=CH 2 , koji ima dva različita supstituenta: R 1 R 2 C=C=CR 1 R 2 . Činjenica je da ti supstituenti nisu u istoj ravni (kao, na primjer, u alkenima), već u dvije međusobno okomite ravni. Stoga je moguće postojanje dva zrcalna izomera, koji se međusobno ne mogu kombinovati nikakvim pomacima i rotacijama.

Složeniji odnosi se javljaju u slučaju molekula s nekoliko asimetričnih atoma ugljika. Na primjer, u vinskoj kiselini, dvije hidroksilne grupe na dva susjedna atoma ugljika mogu biti raspoređene tako da je molekula simetrična i nema zrcalnih izomera. To dovodi do stvaranja drugog, optički neaktivnog, izomera, koji se naziva mezo-vinska (ili anti-vinska) kiselina. Dakle, dihidroksisukcinska kiselina može biti u obliku četiri izomera: desnorotirajuća (D-vinska kiselina, koja se u medicini naziva vinska kiselina), levorotirajuća (L-vinska kiselina), optički neaktivna (mezovinska kiselina), kao i kao mješavina L- i R-izomeri, odnosno racemat (i-vinska ili vinska kiselina). Optički aktivne vinske kiseline, kada se njihove vodene otopine zagrijavaju dugo vremena, racemiziraju se, pretvarajući se u mješavinu antipoda.

Situacija je još složenija kada postoji mnogo asimetričnih centara u molekulu. Na primjer, ima ih četiri u molekulu glukoze. Stoga je teoretski moguće da postoji 16 stereoizomera, koji formiraju 8 pari zrcalnih antipoda. Odavno su poznati hemičarima; to je sama glukoza, kao i aloza, altroza, manoza, guloza, idoza, galaktoza i taloza. Mnogi od njih se javljaju prirodno, kao što je D-glukoza (ali ne i L-glukoza, koja je proizvedena sintetički).

Ako supstanca ima jednak broj "desnih" i "lijevih" molekula, bit će optički neaktivna. Upravo se te tvari dobivaju u tikvici kao rezultat konvencionalne kemijske sinteze. I samo u živim organizmima, uz sudjelovanje asimetričnih agenasa (na primjer, enzima), nastaju optički aktivna jedinjenja. Naravno, odmah se postavilo pitanje kako su se takvi spojevi pojavili na Zemlji, na primjer, ista prirodna desnorotirajuća vinska kiselina, ili "asimetrični" mikroorganizmi koji se hrane samo jednim od enantiomera. Zaista, u nedostatku osobe, nije bilo nikoga da izvrši usmjerenu sintezu optički aktivnih supstanci, nije bilo nikoga da podijeli kristale na desno i lijevo! Međutim, ispostavilo se da su ova pitanja toliko složena da na njih do danas nema odgovora. Na primjer, niko ne zna zašto gotovo sve prirodne aminokiseline od kojih se grade proteini pripadaju L-seriji (S-konfiguracija), a njihovi antipodi se samo povremeno nalaze u nekim antibioticima.

Van't Hoffova teorija nije odmah dobila priznanje. Tako je izvanredni njemački eksperimentalni hemičar Adolf Kolbe (nekoliko organskih reakcija nazvano po njemu) u maju 1877. objavio oštar članak u kojem je oštro negativno govorio o novoj teoriji. Na sreću, Kolbe je bio u čistoj manjini, a van't Hoffova teorija, koja je postavila temelje moderne stereohemije, dobila je opšte priznanje, a njen tvorac 1901. godine postao je prvi laureat. nobelova nagrada u hemiji.

Ova teorija je omogućila da se objasne mnoge hemijske pojave. Na primjer, u reakcijama supstitucije atoma halogena za hidroksilne grupe: u optički aktivnim alkil halidima RX + OH ® ROH + X (X atom halogena), u nekim slučajevima optička aktivnost nestaje, u drugima ostaje, ali mijenja predznak. Ispostavilo se da ova reakcija može ići na različite načine. Prvi mehanizam uključuje disocijaciju halogenida sa formiranjem intermedijarnih R+ jona, koji se brzo spajaju sa OH anionima, dajući produkt reakcije alkohol. Ako je početni halid RX imao optičku aktivnost, on se gubi kao rezultat ove reakcije, budući da hidroksil može pristupiti intermedijarnom planarnom kationu s bilo koje strane, tako da nastaje mješavina enantiomera. Ako se reakcija odvija prema drugom mehanizmu, OH anjon se približava atomu ugljika sa strane suprotne od CX veze i "izmješta" atom halogena u obliku anjona. Ako je početni halogenid R 1 R 2 R 3 CX imao optičku aktivnost, ona se zadržava kao rezultat ove reakcije, ali je predznak optičke rotacije obrnut. To se događa zato što tri supstituenta na asimetričnom atomu ugljika R 1, R 2 i R 3, koji se, poput atoma halogena, nalaze na vrhovima tetraedra, mijenjaju svoju konfiguraciju u odnosu na četvrti supstituent kada se napadački agens hidroksil približi; takva promjena konfiguracije je analogna okretanju kišobrana naopačke na jakom vjetru.

Optička izomerija i život.

Hemičari često označavaju enantiomere kao jedno jedinjenje jer oni Hemijska svojstva su identične. Međutim, njihova biološka aktivnost može biti potpuno različita. To je postalo očigledno nakon tragične priče o talidomidu, leku koji je 60-ih godina 20. veka. lekari u mnogim zemljama su ga prepisivali trudnicama kao efikasnu pilulu za spavanje i sedativ. Međutim, s vremenom, njegov užasan nuspojava: ispostavilo se da je supstanca teratogena (oštećuje fetus, od grčkog teratos čudovište, nakaza), a rođeno je mnogo beba sa urođenim deformitetima. Tek kasnih 1980-ih postalo je jasno da je samo jedan od enantiomera talidomida, njegov desnorotirajući oblik, bio uzrok nesreće. Nažalost, ova razlika u akciji dozni oblici nije ranije bilo poznato, a talidomid je bio racemska mješavina oba antipoda.

Trenutno, mnogi lijekovi dostupni su kao optički čista jedinjenja. Dakle, od 25 najčešćih lijekova u SAD-u, samo šest su nehiralna jedinjenja, tri su racemati, a ostali su čisti enantiomeri. Potonji se dobivaju trima metodama: odvajanjem racemskih smjesa, modifikacijom prirodnih optički aktivnih spojeva (to uključuje ugljikohidrate, aminokiseline, terpene, mliječne i vinske kiseline, itd.) i direktnom sintezom. Na primjer, poznata hemijska kompanija Merck razvila je metodu za proizvodnju antihipertenzivnog lijeka metildopa, koja uključuje spontanu kristalizaciju samo željenog enantiomera unošenjem malog sjemena ovog izomera u otopinu. Direktna sinteza također zahtijeva kiralne izvore, kao i bilo koji drugi tradicionalne metode sinteza daje oba enantiomera u jednakim omjerima racemat. Uzgred, ovo je jedan od razloga visoka cijena nekih lijekova, jer je usmjerena sinteza samo jednog od njih vrlo težak zadatak. Stoga nije iznenađujuće da je od više od 500 sintetičkih kiralnih lijekova proizvedenih širom svijeta, samo oko desetina optički čista. Istovremeno, od 517 preparata dobijenih od prirodnih sirovina, samo osam su racemati.

Potreba za optički čistim enantiomerima objašnjava se činjenicom da često samo jedan od njih ima potrebne terapeutski efekat, dok drugi antipod može uzrokovati neželjene nuspojave ili čak biti otrovan. Također se dešava da svaki enantiomer ima svoje specifično djelovanje. Dakle, S()-tiroksin („levotroid“) je prirodni hormon štitnjače. A desnorotirajući R(+)-tiroksin („dekstroid“) snižava holesterol u krvi. Neki proizvođači smišljaju palindromska trgovačka imena za takve slučajeve, kao što su Darvon i Novrad.

Šta objašnjava različita dejstva enantiomera? Čovek je hiralno biće. I njegovo tijelo i molekuli biološki aktivnih tvari od kojih se sastoji su asimetrični. Kiralni molekuli lijeka, u interakciji s određenim kiralnim centrima u tijelu, kao što su enzimi, mogu djelovati različito ovisno o tome koji je enantiomer lijek. "Ispravan" lijek se uklapa u svoj receptor poput ključa od brave i pokreće željenu biohemijsku reakciju. Radnja "pogrešnog" antipoda može se uporediti sa pokušajem da desnom rukom stisne desnu ruku svog gosta.

Ako je lijek racemat, onda jedan od enantiomera može u najboljem slučaju biti indiferentan, u najgorem izazvati potpuno nepoželjan učinak. Evo nekoliko primjera. Dakle, antiaritmičko sredstvo S()-anaprilin djeluje 100 puta jače od R(+)-forme! U slučaju verapamila, oba enantiomera imaju sličan efekat, ali njegov R(+) oblik ima značajno manje izražen kardiodepresivni neželjeni efekat. Ketamin koji se koristi za anesteziju može izazvati nuspojave u vidu agitacije, delirija itd. kod 50% pacijenata, a to je uglavnom svojstveno samo R() izomeru, kao i racemata.U anthelmintičkom lijeku levamisol , aktivan je uglavnom u S ( )-izomeru, dok njegov R(+)-antipod izaziva mučninu, pa je svojevremeno racemični levamisol zamijenjen jednim od enantiomera. Ali ispostavilo se da nema uvijek ekonomskog smisla sintetizirati čiste izomere. Na primjer, za široko rasprostranjeni analgetik ibuprofen, pod djelovanjem enzima, moguća je izomerizacija terapeutski neaktivnog R()-oblika u aktivni S(+)-izomer, pa se u ovom slučaju može dobiti znatno jeftiniji racemat. korišteno.

Različito biološko djelovanje "desnih" i "lijevih" izomera očituje se ne samo među lijekovima, već u svim slučajevima kada kiralno jedinjenje stupa u interakciju sa živim organizmima. Upečatljiv primjer aminokiselina izoleucin: njen desnorotirajući izomer je sladak, a levorotirajući izomer je gorak. Još jedan primjer. Karvon je supstanca veoma jake arome (ljudski nos je u stanju da ga oseti u sadržaju od samo 17 milionitih delova miligrama po litri u vazduhu). Karvon je izolovan iz kima u čijem ulju sadrži oko 60%. Međutim, potpuno isti spoj sa istom strukturom nalazi se u ulju metvice, gdje njegov sadržaj doseže 70%. Svi će se složiti da miris mente i kima uopšte nije isti. Ispostavilo se da zapravo postoje dva karvona "desno" i "lijevo". Razlika u mirisu između ovih jedinjenja ukazuje da receptorske ćelije u nosu odgovorne za percepciju mirisa takođe moraju biti hiralne.

Vratimo se sada formuli prikazanoj na psu i vuku. Penicilamin (3,3-dimetilcistein) je prilično jednostavan derivat amino kiseline cisteina. Ova supstanca se koristi za akutna i hronična trovanja bakrom, živom, olovom i drugim teškim metalima, jer ima sposobnost stvaranja jakih kompleksa sa jonima ovih metala; nastale komplekse uklanjaju bubrezi. Penicilamin se također koristi u raznim oblicima reumatoidnog artritisa, kod sistemske skleroderme i u nizu drugih slučajeva. U ovom slučaju koristi se samo S-oblik lijeka, jer je R-izomer toksičan i može dovesti do sljepoće.

Ilya Leenson

U literaturi se često navodi da su samo ljevoruke aminokiseline pogodne za ishranu i kao strukturni elementi našeg metabolizma. Psihološki je to razumljivo: prirodne aminokiseline najčešće pripadaju takozvanoj L-seriji, a slovo L se obično povezuje s pojmom "lijevo". Međutim, takvo "pripisivanje" L-spojeva levorotatornim, a spojeva D-serije - desnorotatornim je apsolutno pogrešno. Dovoljno je pogledati barem listu 23 najvažnije proteinske aminokiseline (date su, na primjer, u udžbeniku A. N. Nesmeyanova i N. A. Nesmeyanova „Principi organske hemije“) da biste bili sigurni da je levorotirajuće (za rješenja u glacijalnoj sirćetnoj kiselini) - samo sedam, manje od trećine. Ostali su desnorotatorni, sa izuzetkom optički neaktivnog glicina. U "Hemijskoj enciklopediji" na listi 26 najčešćih ljevorukih aminokiselina ima ih još manje, svega šest (23%). Mnogi ljudi brkaju smjer rotacije ravnine polarizacije svjetlosti tvari i strukturu njenih molekula, što se može pripisati D- ili L-tipu.

Polarizacija svjetlosti i optička aktivnost

Još od vremena Njutna, u nauci se vode sporovi: svetlost su talasi ili čestice. Thomas Young je 1800. godine formulisao princip superpozicije talasa i na osnovu njega objasnio fenomen svjetlosne interferencije. Godine 1808. Etienne Louis Malus, eksperimentirajući s kristalima islandskog šparta (kalcita), otkrio je fenomen polarizacije svjetlosti. Godine 1816. Augustin Jean Fresnel je predložio ideju da su svjetlosni valovi poprečni. Fresnel je objasnio i fenomen polarizacije svjetlosti: u običnoj svjetlosti oscilacije se javljaju nasumično, u svim smjerovima okomitim na smjer snopa. Ali, prolazeći kroz neke kristale, poput islandskog šparta ili turmalina, svjetlost poprima posebna svojstva: valovi u njoj osciliraju samo u jednoj ravni. Slikovito rečeno, snop takve svjetlosti je poput vunene niti koja se provlači kroz uski razmak između dvije oštre oštrice brijača. Ljudsko oko samo u rijetkim slučajevima i s poteškoćama može razlikovati običnu svjetlost od polarizirane svjetlosti, ali to se lako može učiniti pomoću najjednostavnijih optičkih instrumenata - polarimetara.

Također je utvrđeno da kada polarizirana svjetlost prolazi kroz određene tvari, ravan polarizacije rotira. Ovaj fenomen je 1811. godine prvi otkrio François Dominique Arago u kristalima kvarca. Prirodni kristali kvarca imaju nepravilnu, asimetričnu strukturu, a dijele se na dvije vrste, koje se razlikuju po svom obliku, poput predmeta od svoje zrcalne slike. Ovi kristali rotiraju ravan polarizacije svjetlosti u suprotnim smjerovima; zvali su se dešnjaci i ljevoruki.

Godine 1815. Jean Baptiste Biot i Thomas Seebeck otkrili su da neke organske tvari (na primjer, šećer ili terpentin) također imaju sposobnost da rotiraju ravninu polarizacije, ne samo u kristalnom, već iu tekućem, otopljenom, pa čak i plinovitom stanju. . Tako je dokazano da se optička aktivnost može povezati ne samo s asimetrijom kristala, već i s nekim nepoznatim svojstvom samih molekula. Kao iu slučaju kristala, neka hemijska jedinjenja mogu postojati u obliku desnorukih i levorukih varijanti, a najpažljivija hemijska analiza nije mogla pronaći nikakve razlike među njima. Takve sorte su nazvane optički izomeri, a sami spojevi nazivani su optički aktivnim. Pokazalo se da optički aktivne supstance imaju i treću vrstu izomera - optički neaktivne. Ovo je 1830. otkrio poznati njemački hemičar Jene Jacob Berzelius: vinska kiselina C 4 H 6 0 6 je optički neaktivna, a vinska kiselina potpuno istog sastava ima desnu rotaciju u rastvoru. Kasnije je otkrivena "lijeva" vinska kiselina, koja se ne nalazi u prirodi - antipod desnorotatorne.

Godine 1828. William Nicol je, koristeći prozirne kristale islandskog šparta, dizajnirao polarizator svjetlosti - "Nikolovu prizmu". I nakon što je 1839. izveo kombinaciju dvije takve prizme, dobio je polarimetar - uređaj za mjerenje ugla rotacije ravnine polarizacije svjetlosti. Od tada je takav polarimetar postao jedan od najčešćih instrumenata u fizičkim laboratorijama.

Pasteurovo otkriće

U toku istraživanja Pasteur je pripremio rastvor kisele natrijumove soli vinske kiseline HOOC-CHOH-CHOH-COONa, zasitio rastvor amonijakom i, polako isparavajući vodu, dobio prelepe prizmatične kristale natrijum-amonijum soli tetrahidrata Na (NH) 4 C 4 H 4 O 6 4H 2 O. Ispostavilo se da su ovi kristali asimetrični. Neki od kristala su imali jedno karakteristično lice na desnoj strani, dok su drugi imali jedno na lijevoj strani, a oblik ove dvije vrste kristala bio je takoreći zrcalna slika jednog drugog. I ti i drugi kristali su ispali podjednako. Znajući da se u takvim slučajevima kristali kvarca rotiraju u različitim smjerovima, Pasteur je odlučio provjeriti da li će se ovaj fenomen primijetiti na soli koju je primio. Naoružan lupom i pincetom, Pasteur je pažljivo podijelio kristale u dvije hrpe. Njihova rješenja su, očekivano, imala suprotnu optičku rotaciju, a mješavina otopina je bila optički neaktivna. Nije bilo jasno zašto je jedan početni materijal dao kristale različitih oblika. Pasteur se tu nije zaustavio. Iz svake otopine je istaložio nerastvorljivu sol olova ili barija, a djelovanjem na te soli jakom sumpornom kiselinom, istisnuo je iz njih slabiju organsku. Moglo bi se pretpostaviti da bi se u oba slučaja dobila originalna vinska kiselina, koja je, kako se sjećamo, bila neaktivna. Kakvo je bilo Pasteurovo iznenađenje kada se ispostavilo da iz jednog rastvora soli nije nastala grožđana kiselina, već dobro poznata desnorotirajuća vinska kiselina, a iz drugog rastvora dobijena je ista kiselina, ali rotirajuća ulevo! Niko do tada nije video levoruku vinsku kiselinu! Ove kiseline se nazivaju d- vinsko za desnu rotirajuću sortu (od lat. dexter- desno) i l- vinski za levorotirajući izomer (od lat. laevus- lijevo).

Otkriće je da se ispostavilo da je odavno poznata neaktivna vinska kiselina mješavina jednakih količina također poznate "desne" vinske kiseline i ranije nepoznate "lijeve". Zato njihova mješavina u kristalu ili u otopini nema optičku aktivnost. Za takvu mješavinu počeo se koristiti naziv racemat (od latinskog racemus- grejp; na latinskom Acidum racemicum- vinska kiselina), i dva antipoda, koji, kada se pomiješaju u jednakim količinama, daju optički neaktivnu smjesu, nazivaju se enantiomeri (od grč. enantios- suprotno). Pasteur je imao sreće: u budućnosti je otkriveno samo nekoliko sličnih slučajeva kristalizacije na određenoj temperaturi mješavine optički različitih kristala, dovoljno velikih da se odvoje pod lupom pincetom. Štaviše, natrijum-amonijumova so vinske kiseline, sa kojom je Pasteur radio, formira kristale različitih oblika samo ako dođe do kristalizacije iz rastvora čija je temperatura ispod 28°C. U ovom slučaju tetrahidrat se taloži. Sa više visoke temperature simetrični kristali monohidrata precipitiraju iz otopine.

Ubrzo je Pasteur otkrio i četvrti oblik vinske kiseline. Bio je optički neaktivan, ali nije bio racemat, jer ga je bilo nemoguće razdvojiti na antipode. Pasteur je ovu kiselinu nazvao mezotartarnom, sa grčkog. mesos- srednji, srednji. Pasteur je pronašao još dvije metode za podjelu racemata na dva antipoda. Biohemijska metoda se zasniva na selektivnoj sposobnosti nekih mikroorganizama da apsorbuju samo jedan od izomera. I tu je Pasteur imao sreće. Jedan od apotekara apotekara dao mu je dugogodišnju bocu grožđane kiseline u kojoj se pojavila zelena plijesan. Pasteur je u svojoj laboratoriji otkrio da je nekada neaktivna kiselina postala ljevoruka. gljiva zelene plijesni Penicillum glaucum u otopini razrijeđene vinske kiseline ili njenih soli „jede“ samo desni izomer, ostavljajući lijevi nepromijenjen. Ovaj kalup ima isti učinak na „neaktivnu“ mandeličnu kiselinu, samo što u ovom slučaju asimilira levorotirajući izomer ne dodirujući desnorotirajući. Mnogi takvi slučajevi su postali poznati. Na primjer, kvasac Saccharomycete ellipsoidalis ( Saccharomyces ellipsoidus), Za razliku od Penicillum glaucum, "specijalizirao" se za desni izomer bademove kiseline, ostavljajući lijevi nepromijenjen. Drugi način odvajanja racemata bio je hemijski. Unaprijed je bilo potrebno imati optički aktivnu supstancu, koja bi u interakciji s racemskom smjesom iz nje „odabrala“ samo jedan enantiomer. Na primjer, optički aktivna baza dala je optički aktivnu sol sa vinskom kiselinom, iz koje se može izolirati odgovarajući enantiomer vinske kiseline i kiseline.

Pasteurov rad, koji je dokazao mogućnost "cijepanja" optički neaktivnog spoja na antipode, u početku je izazvao nepovjerenje kod mnogih hemičara. Čak ni sam Biot nije vjerovao svom pomoćniku sve dok nije svojom rukom ponovio svoje iskustvo. Uskoro je Joseph Le Bel, koristeći treću Pasteurovu metodu, podijelio nekoliko alkohola u optički aktivne antipode. Johann Wislicenus je ustanovio da postoje dvije mliječne kiseline: optički neaktivna, nastala u kiselom mlijeku (fermentirana mliječna kiselina), i desnorotirajuća, koja se pojavljuje u radnom mišiću (meso-mliječna kiselina). Takvih je primjera bilo sve više i bila je potrebna teorija da se objasni kako se molekuli antipoda međusobno razlikuju. Takvu teoriju stvorio je mladi holandski naučnik Van't Hoff ("Hemija i život", 2009, br. 1). Prema ovoj teoriji, molekuli, kao i kristali, mogu biti "desni" i "lijevi", kao zrcalna slika jedni drugih. Najjednostavniji primjer su molekule koje imaju takozvani asimetrični ugljikov atom okružen s četiri različite grupe. Uzmimo najjednostavniju aminokiselinu alanin: dvije prikazane molekule ne mogu se kombinirati u prostoru ni na koji način.

Takve strukture, koje se međusobno razlikuju kao desna ruka od lijeve, nazivaju se kiralnim (od grč. kosa- ruka).

Vinska kiselina ima dva asimetrična atoma ugljika. Ako su oba "desno", dobijate desnorotirajuću (+)-vinsku kiselinu, ako je "lijevo" - levorotatornu (-)-vinsku, ako je jedno "lijevo", a drugo "desno", onda dobijate mezovinsku kiselinu . Ako je mješavina jednako "desnih" i "lijevih" molekula, supstanca kao cjelina bit će optički neaktivna. Upravo se te tvari dobivaju u tikvici kao rezultat konvencionalne kemijske sinteze. I samo u živim organizmima, uz sudjelovanje asimetričnih agenasa (na primjer, enzima), nastaju asimetrična jedinjenja. Tako u prirodi prevladavaju aminokiseline i saharidi samo jedne konfiguracije, a stvaranje njihovih antipoda je potisnuto. U nekim slučajevima, različiti enantiomeri se mogu razlikovati bez ikakvih instrumenata – kada različito djeluju s asimetričnim receptorima u našem tijelu. Upečatljiv primjer je aminokiselina leucin: njen desnorotirajući izomer je sladak, a levorotirajući je gorak. Imajte na umu da prirodno pitanje - kako su se prvi optički aktivni hemijski spojevi pojavili na Zemlji - još nema jasan odgovor.

Apsolutni problem konfiguracije

Ranije nije bilo moguće utvrditi kakva je stvarna prostorna konfiguracija molekula jedne ili druge optički aktivne tvari, na primjer, gore spomenutog alanina. Međutim, čisto hemijskim metodama bilo je moguće utvrditi sličnost konfiguracija različitih supstanci. Na primjer, desnorotirajući molekuli d-gliceraldehid su po svojoj konfiguraciji bili slični ljevorukim l-mliječna kiselina i desnorotirajuća d- jabučna kiselina. Godine 1906., na prijedlog M. A. Rozanova, gliceraldehid je izabran kao standard za uspostavljanje relativne konfiguracije optički aktivnih molekula. U isto vrijeme, E. G. Fischer je predložio da se desnorotirajućem gliceraldehidu (čisto proizvoljno) dodijeli struktura,

u kojem zvjezdica označava asimetrični atom ugljika vezan za četiri različita supstituenta. Na takvim slikama dvije "horizontalne" veze (u ovom slučaju to su veze C-H i C-OH) nalaze se ispod ravnine slike, a dvije "vertikalne" veze (C-CHO i C-CH 2 OH) su iznad aviona. Ova metoda snimanja naziva se Fischerova projekcija, nazvana po Emilu Hermannu Fišeru, drugom dobitniku Nobelove nagrade za hemiju 1902. godine.

Nekoliko riječi o Rozanovu, koji nam je praktično nepoznat. Martin Andre Rozanov (1874–1951) rođen je u Ukrajini u porodici Abrahama i Klare Rozenberg. Nakon što je završio klasičnu gimnaziju u rodnom Nikolajevu, školovanje je nastavio u Berlinu i Parizu, a potom u Njujorku. Radio je na Univerzitetu u Njujorku, zatim na Institutu Mellon u Pitsburgu, gde je po prvi put u istoriji instituta dobio doživotno zvanje profesora hemije. Sestra Martina Lillian (1886–1986) bila je dekana Odsjeka za matematiku na Univerzitetu Long Island; brat Aaron Joshua bio je poznati američki psihijatar koji je radio u Kaliforniji. Među „nehemijskim“ radovima M. A. Rozanova ističe se veliki članak „Edison u njegovoj laboratoriji“ (1932), u kojem je autor, između ostalog, opisao razne smešne slučajeve, uključujući i iz svog iskustva komunikacije sa poznatim inventor.

Prikazana struktura je nazvana D(+)-gliceraldehid. Shodno tome, sve supstance stereohemijski slične ovom aldehidu počele su da se pripisuju D-seriji. Optički antipod ovog aldehida nazvan je L-gliceraldehid, a njegove srodne supstance počele su se pripisivati L-seriji (“+” znači da se ravnina polarizacije rotira udesno, “–” - ulijevo):

Gliceraldehid je jedno od najjednostavnijih optički aktivnih jedinjenja, lako se dobija oksidacijom glicerola, a što je najvažnije, može se koristiti za dobijanje najviše razne veze. Ovo uspostavlja relativnu konfiguraciju desnorotirajuće vinske i jabučne kiseline i izoserina, levorotatorne mliječne kiseline i mnogih drugih optički aktivnih spojeva. Aldolna kondenzacija gliceraldehida sa dihidroksiacetonom proizvodi mješavinu fruktoze i sorboze, koje se mogu odvojiti. Jasno je da u toku takvih sinteza apsolutna konfiguracija asimetričnog atoma ugljika mora ostati nepromijenjena. To se događa ako se kemijska veza ovog atoma ugljika s jednim od susjednih supstituenata ne prekine. U suprotnom može doći do gubitka optičke aktivnosti (kao, na primjer, u reakcijama nukleofilne supstitucije tipa S N 1), ili promjena konfiguracije u suprotnu. Posljednji proces, takozvana Waldenova konverzija, javlja se, na primjer, u reakcijama S N 2; dobio je ime po Paulu (Pavelu Ivanoviču) Waldenu (1863–1957), koji ga je otkrio 1889.

Usvojena su velika slova D i L umjesto malih slova kako se ne bi pobrkala konfiguracija tvari, uspostavljena u odnosu na gliceraldehid, sa smjerom rotacije ravnine polarizacije svjetlosti ovom supstancom. I tako se dogodilo da se neki od spojeva D-serije rotiraju udesno, neki - ulijevo, a smjer rotacije ni na koji način nije povezan s pripadanjem tvari bilo kojoj od ovih serija. Na primjer, u prirodi je pronađena samo D(-)-fruktoza (aka levuloza, jer rotira ravan polarizacije ulijevo). S druge strane, i L- i D-asparagini su desnorotacijske aminokiseline. Mandelična kiselina C 6 H 5 CH (OH) COOH ima dva optička izomera: levorotirajući D (–)- i desnorotirajući L (+) izomer. Mnogo je takvih primjera. Stoga se odnos između znaka rotacije zgloba i njegove konfiguracije ne može unaprijed odrediti: dva zgloba s istom relativnom konfiguracijom mogu imati suprotne predznake rotacije. Suprotno tome, slična jedinjenja sa istim predznakom rotacije mogu imati suprotne relativne konfiguracije.

Direktno određivanje apsolutne konfiguracije molekula je težak zadatak, a kemičari su se dugo snalazili samo sa dodjeljivanjem molekula D- ili L-seriji. I tek sredinom 20. vijeka ovaj problem je riješio J. Beivut sa zaposlenima koji su radili u Van't Hoff laboratoriji Univerziteta Utrecht. Znameniti rad pod nazivom "Određivanje apsolutne konfiguracije optički aktivnih supstanci difrakcijom X zraka" objavljen je 18. avgusta 1951. u časopisu " Priroda". Autori su rendgenskom difrakcijskom analizom kristala kalijum-rubidijumove soli D(+)-vinske kiseline pokazali da Fischer nije pogriješio u postuliranju apsolutne konfiguracije enantiomera gliceraldehida! A to znači da su ne samo relativne, već i apsolutne konfiguracije svih optički aktivnih spojeva ispravno uspostavljene! U stvari, Fischer je imao tačno 50% šanse da napravi pravi izbor ili napraviti grešku. Slična priča odigrala se kada je, mnogo prije otkrića elektrona, smjer za tok električna struja. I - pogriješili su birajući pravac od plusa do minusa.

Zato što je Beivutova ključna originalna publikacija u časopisu Priroda prvobitni eksperimentalni podaci nisu izneseni, pitanje valjanosti izvedenih zaključaka je ostalo fundamentalno, tim više što je eksperimentalna tehnika tog vremena bila daleko od savršene. Konkretno, nije bilo kompjutera bez kojih sada ne može ni jedan rad u oblasti analize difrakcije rendgenskih zraka. Kako bi otklonili sve moguće sumnje, osoblje Centra molekularne biologije Univerzitet Utrecht Martin Lutz i M. M. Schroers nedavno su se obavezali da testiraju rezultate svojih kolega prije više od pola stoljeća koristeći najsavremeniju opremu. Njihov rad, objavljen u avgustu 2008. godine u časopisu Acta Crystallographica", odjeljak C: " Crystal Structure Communications“, zvala se “Da li je Beivut bio u pravu? Ponovno ispitivanje natrijum tartrata tetrahidrata - rubidijum". Kako bi dobili monokristal, autori su zagrijali otopinu (+)-vinske kiseline na 60°C i u nju su u kapima počeli dodavati otopinu ekvimolarne mješavine natrijuma i rubidijum karbonata. Prvo se istaložio manje rastvorljivi kiseli rubidijum tartarat. Zatim, kada je evolucija ugljičnog dioksida završila, talog je potpuno prešao u otopinu. Kada ispari sobnoj temperaturi formiran je bezbojni prah čijom se prekristalizacijom iz minimalne količine vode dobijaju kristali Na + ·Rb + ·C 4 H 4 O 6 2– ·4H 2 O pogodni za istraživanje. Na pitanje postavljeno u naslovu članka, autori su odgovorili sa „da“.

Bejvutov rad sa saradnicima 1951. bio je zaista epohalan. Po prvi put je postalo moguće riješiti se neke nedosljednosti u oznakama D i L, koje su ukazivale samo na genetski odnos s glicerol aldehidima, ali ne i na smjer optičke rotacije. Ova mogućnost je realizovana 1956. godine na predlog Roberta Sidneya Kahna i Christophera Kelka Ingolda i dobitnika Nobelove nagrade 1975. (sa J. W. Cornforthom) Vladimira Preloga. Njihov prvi članak objavljen je u relativno opskurnom švajcarskom časopisu Experientia“, a prijedlog je ipak široko prihvaćen. Tako je detaljno opisano u udžbeniku organske hemije Louisa i Mary Feather (1961, ruski prevod 1966). Ali ovaj sistem je postao najpoznatiji nakon objavljivanja detaljne univerzalne stereohemijske nomenklature 1966. (vidi Cahn R.S., Ingold S.K., Prelog V. Specification of Molecule Chirality // Angew. Chem., Int. Ed. engleski, 1966, 5, 385–415; cijeli tekst - PDF, 3,4 Mb).

Autori su predložili da se uvede pojam kiralnosti kao svojstva objekta da bude nekompatibilan s njegovim odrazom u idealnom ravnom ogledalu i R—S- sistem (od lat. rectus- ravno, ispravno i zlokobno- lijevo) za označavanje kiralnosti.

Detaljan opis primjene ovog pravila na optički aktivna jedinjenja može se naći u udžbenicima organske hemije, kao i u udžbeniku K. P. Butina. Koristi određeni raspored grupa oko kiralnog centra - u smjeru kazaljke na satu, u skladu sa "starošću" ovih grupa. Konkretno, prema novoj nomenklaturi, desnorotirajući D-gliceraldehid dobiva oznaku R. Notacija R I S dodaju se imenu spoja kao prefiksi. Dakle, enantiomeri 1-bromo-1-kloroetana su R-1-bromo-1-kloroetan i S-1-bromo-1-hloroetan. Označena je njihova optički neaktivna racemična modifikacija R,S-1-bromo-1-hloroetan. Međutim, prema tradiciji, stare oznake D i L također se široko koriste, na primjer, za šećere i aminokiseline.

U zaključku ovog odjeljka primjećujemo još jednu vrlo uobičajenu zabludu - da sve prirodne aminokiseline navodno pripadaju isključivo L-seriji. U stvari, nije tako: D-aminokiseline se takođe nalaze u prirodi, iako rjeđe od aminokiselina L-serije, uglavnom u svijetu nižih organizama. Prisutni su, na primjer, u peptidnim antibioticima, u ljusci nekih bakterija. Neki termofilni mikroorganizmi koji žive u toplim izvorima i termalnim vodama koriste visoke koncentracije D-alanina kao osmoregulator. Krvna plazma viših organizama također sadrži D-amino kiseline. Ljudsko tijelo proizvodi D-serin kao neurotransmiter. D-alanin, D-asparagin i D-serin nalaze se u nervnim ćelijama viših organizama. Oni rade sa D-amino kiselinama, na primjer, na Odsjeku za hemijsku enzimologiju, Hemijski fakultet Moskovskog državnog univerziteta. A 2008. godine, na Biološkom fakultetu Moskovskog državnog univerziteta, A. V. Dmitriev odbranio je disertaciju za zvanje doktora fizičko-matematičkih nauka na temu „Fizički i hemijski mehanizmi transporta jona u prirodnim i hiralno modifikovanim modelnim kanalima“. Autor je posebno proučavao modificirane modelne proteine koji sadrže D-aminokiseline. Pokazalo se da je deset D-aminokiselina dovoljno za dobijanje primarne strukture proteina sa prirodnom funkcionalnošću izgrađenom od D-aminokiselina.

Kiralne droge

Hemičari često označavaju enantiomere kao jedno jedinjenje jer su njihova hemijska svojstva identična. Međutim, njihova biološka aktivnost može biti potpuno različita. To je postalo očigledno nakon tragične priče o talidomidu, leku koji su u Evropi 60-ih godina 20. veka naširoko koristile trudnice kao efikasna pilula za spavanje i sedativ. Vremenom se pokazalo njegovo teratogeno dejstvo, pa su mnoge bebe rođene sa urođenim deformitetima. Nakon toga, Evropljani su posudili stroži američki sistem certifikacije lijekova - u Americi se talidomid nije smio prodavati. Ali tek u kasnim 80-im postalo je jasno da je samo jedan od enantiomera talidomida postao uzrok nesreće. Ova razlika u doznom obliku ranije nije bila poznata, a talidomid na tržištu bio je racemična smjesa.

Trenutno se mnogi lijekovi proizvode u obliku optički čistih spojeva. Dobijaju se trima metodama: odvajanjem racemskih smjesa, modifikacijom prirodnih optički aktivnih spojeva (to uključuje ugljikohidrate, aminokiseline, terpene, mliječne i vinske kiseline, itd.) i direktnom sintezom. Ovo posljednje također zahtijeva kiralne izvore, budući da bilo koja druga konvencionalna sintetička metoda daje racemat. To je jedan od razloga visoke cijene nekih lijekova, a ne čudi da je od mnogih sintetičkih kiralnih lijekova koji se proizvode u cijelom svijetu, samo mali dio optički čist, a ostalo su racemati.

Potreba za optički čistim enantiomerima objašnjava se i činjenicom da često samo jedan od njih ima željeni terapeutski učinak, dok drugi antipod u najboljem slučaju može biti beskorisan, au najgorem izazvati neželjene nuspojave ili biti toksičan. Također se dešava da svaki enantiomer ima svoje specifično djelovanje. Da, leva ruka S-tiroksin ( medicinski proizvod Levotroid je prirodni T4 hormon štitnjače. Desnorotacioni R-tiroksin ("dekstroid") snižava holesterol u krvi. Neki proizvođači smišljaju palindromske trgovačke nazive za takve slučajeve, na primjer " Darvone"za narkotički analgetik i" Novrad» za lijek protiv kašlja.

Kao što je već navedeno na primjeru aminokiseline leucin, čovjek je hiralno biće. I to se ne odnosi samo na izgled. Enantiomerni lijekovi, u interakciji s kiralnim molekulima u tijelu, kao što su enzimi, mogu djelovati na različite načine. "Ispravan" lijek se uklapa u svoj receptor poput ključa od brave i pokreće željenu biohemijsku reakciju. Antiaritmičko sredstvo S-anaprilin deluje sto puta jače od R-forma. Antihelmintički lijek levamisol je aktivan uglavnom u S izomer, dok njegov R- antipod izaziva mučninu, pa je jedno vrijeme racemični levamisol zamijenjen jednim od enantiomera. U 60-im godinama, jedan od prekursora adrenalina u tijelu - dioksifenilalanin (L-DOPA) pokušan je za liječenje parkinsonizma. Istovremeno se pokazalo da su ova supstanca, kao i srodni dopamin i metildopa, efikasna samo u obliku S-izomer. U isto vrijeme R-DOPA izaziva ozbiljne nuspojave, uključujući poremećaje krvi. Čvrsto " Merck„razvio metodu za proizvodnju antihipertenzivnog lijeka metildope, koja uključuje spontanu kristalizaciju samo željenog enantiomera unošenjem malog sjemena ovog izomera u otopinu.

I posljednji primjer. Penicilamin (3,3-dimetilcistein) je prilično jednostavan derivat amino kiseline cisteina. Ova supstanca se koristi za akutna i hronična trovanja bakrom, živom, olovom i drugim teškim metalima, jer daje jake komplekse sa jonima ovih metala, a te komplekse uklanjaju bubrezi. Penicilamin se također koristi u raznim oblicima reumatoidnog artritisa, kod sistemske skleroderme i u nizu drugih slučajeva. U ovom slučaju, samo S- oblik leka R-izomer je toksičan i može uzrokovati sljepoću. Ne bez razloga na naslovnici junskog izdanja američkog magazina" Časopis za hemijsko obrazovanje» Za 1996. postavljen je tako neobičan crtež. Naslov članka o antipodalnim lijekovima nije bio ništa manje rječit: "Kada se molekul pogleda u ogledalo."

Ilja Abramovič Leenson,
doktor hemije
"Hemija i život" №5, 2009

Ranije je opisana strukturna izomerija, zbog različitog reda izmjenjivanja atoma i veza u molekulama, te dvije vrste prostorne izomerije: rotacijske i geometrijske ( cis-trans) povezan sa različitim rasporedom fragmenata molekula iste strukture u prostoru. Postoji još jedan tip stereoizomerizma - optički izomerizam.

Optički izomeri su isti po svim svojim fizičkim i hemijskim svojstvima i razlikuju se samo u dva aspekta.

1 Tokom kristalizacije, oni formiraju kristale koji nemaju ravan simetrije i odnose se jedan na drugi kao predmet na njegovu sliku u ogledalu. Ovo svojstvo omogućilo je Pasteuru da otkrije fenomen optičkog izomerizma. Tokom kristalizacije vinske kiseline, vizuelno je otkrio kristale dva razne vrste i razdvajajući ih, izolovao čiste stereoizomerne oblike vinske kiseline.

2 Optički izomeri se različito odnose na polariziranu svjetlost.

U snopu svjetlosti oscilacije električnog i magnetskog vektora se javljaju u međusobno okomitim smjerovima, kao i okomito na smjer širenja snopa. Štaviše, smjer oscilacija, na primjer, električnog vektora se haotično mijenja u vremenu, mijenjajući shodno tome smjer oscilacije magnetnog vektora. U polarizovanom snopu oscilacije električnog i magnetskog vektora se javljaju za svaki jedan strogo fiksna ravan, ravan polarizacije. Kada polarizirani snop prolazi kroz neke prozirne tekućine i kristalne tvari, ravan polarizacije se rotira. Spojevi koji rotiraju ravninu polarizacije polariziranog snopa nazivaju se optički aktivni ili optički aktivni. Za kvantitativno poređenje optičke aktivnosti razne supstance, izračunajte vrijednost specifična rotacija. Budući da vrijednost ugla, rotacija ravni polarizacije svjetlosti, osim od prirode tvari, ovisi i o temperaturi, talasnoj dužini svjetlosti, debljini sloja tvari kroz koju prolazi polarizirana svjetlost, a za rješenja i o otapalo i koncentracija supstance, specifična rotacija pri konstantnoj temperaturi i talasnoj dužini svetlosti je

gdje je α ugao rotacije ravni polarizacije pri debljini sloja l i gustina supstance d, t-temperatura, D je fiksna talasna dužina žute linije iz spektra natrijuma.

Za rješenje

Gdje WITH- koncentracija rastvora u gramima supstance, na 100 ml rastvora.

Mliječna kiselina iz fermentacije saharoze uz pomoć bakterija rotira ravan polarizacije svjetlosti ulijevo(u smjeru suprotnom od kazaljke na satu). Zove se levorotatorna ili lijeva mliječna kiselina i označava se: (-) - mliječna kiselina.

Mliječna kiselina rotira ravan polarizacije svjetlosti udesno, naziva se desna mliječna kiselina i označava se: (+) - mliječna kiselina. Ovaj optički oblik mliječne kiseline se oslobađa iz životinjskih mišića i naziva se mesno-mliječna kiselina.

INkristalna faza optička aktivnost supstance je povezana saasimetrija kristalne strukture. INtečne i gasne faze vezala jesa molekularnom asimetrijom. Godine 1874., van't Hoff i Lebel, osnivači stereohemijske teorije, primijetili su gotovo istovremeno da optički aktivne tvari sadrže u svojim molekulima najmanje jedan ugljik povezan sčetiri različitagrupe. Ovi atomi ugljika se nazivaju asimetrično. Prisustvo asimetričnog atoma ugljika u strukturi molekule znak je asimetrije molekula spoja, a samim tim i optičke aktivnosti supstance.

Kada se razmatra optički izomerizam, asimetrični atomi ugljika obično su označeni zvjezdicom (*):

Kao što se može vidjeti iz strukturnih formula, spojevi koji sadrže asimetrični atom ugljika nemaju ravan simetrije.

Optički izomeri mliječne kiseline, tj. (-) i (+)-oblici ove kiseline imaju različit prostorni raspored pojedinačnih grupa u molekulu i međusobno su zrcalne slike. Odraz u ogledalu bilo kojeg objekta, koji nema ravan simetrije, nije isto što i predmet, i njegov je antipod (enantiomer).

Na primjer, odraz ljudske figure u ogledalu nije identičan originalu. Lijeva strana osobe se u ogledalu pojavljuje kao desna i obrnuto. Iz slike se vidi da se desni model, kada se superponira u prostoru, ne poklapa sa levim. Ovo svojstvo objekta da bude nekompatibilno sa njegovom ravnom ogledalom obično se naziva kiralnost.

Zovu se optički izomeri koji su jedni drugima zrcalne slikeantipodi(enantiomeri). Oni rotiraju ravan polarizacijeu različitim pravcima pod istim uglovima.

Mliječna i mesno-mliječna kiselina su antipodi (enantiomeri). Ovi stereoizomeri rotiraju ravan polarizacije u različitim smjerovima pod istim uglovima.

Mješavina jednakog broja antipoda je optički neaktivna zbog kompenzacije rotacije i naziva seracemate.

Dakle, sintetički dobivena mliječna kiselina ne utječe na polariziranu svjetlost. Sastoji se od mješavine jednakih količina lijevog i desnog oblika, optički je neaktivan i označava se (±) - mlečna kiselina.

Radi praktičnosti prikaza prostorne strukture optički aktivnih spojeva, tzv projekcijske formule koje je predložio Fischer, dobiven projektiranjem tetraedarskih modela molekula na ravan crteža

Kada ih koristite, treba imati na umu da je kretanje projekcijskih formula, njihovo nametanje jedno na drugo dopušteno samo u ravnini crteža. Takođe se podrazumeva da su gornja i donja grupa iza ravni crteža, a bočne grupe ispred nje. Projekcione formule desne i lijeve mliječne kiseline, podložne ovim pravilima, prirodno se ne kombiniraju.

Vrlo važna točka optičkog izomerizma je da veličina i smjer rotacije ravnine polarizacije svjetlosti nisu direktno ovisni o konfiguraciji (prostornoj strukturi) veze.

Na primjer, estri i eteri desne mliječne kiseline, koji imaju istu konfiguraciju kao i sama kiselina, imaju lijevu rotaciju.

Iz ovoga slijedi da znak rotacije jednog od članova niza tvari sličnih po kemijskoj strukturi još ne može poslužiti kao karakteristika konfiguracije i znaka rotacije ostalih njegovih članova.

Postavlja se pitanje da li su poznate konfiguracije optičkih izomera za različite supstance i kako se one određuju. Hemijske metode ne dozvoljavaju utvrđivanje apsolutne (prave) konfiguracije antipoda zbog identičnosti hemijskih svojstava antipoda. U isto vrijeme, ove metode mogu odrediti relativnu konfiguraciju optičkih izomera. Optički aktivni spojevi mogu se kemijski pretvoriti jedno u drugo bez promjene konfiguracije. Zatim, ako je poznata konfiguracija originalne "referentne" veze, konekcija dobijena iz nje će imati istu konfiguraciju.

Godine 1891. Fischer i 1906. Rozanov su predložili korištenje prava (+)-gliceraldehid. Njemu je proizvoljno dodijeljena konfiguracija " D". Njegov antipod, (–)-gliceraldehid, odnosno, s obzirom na konfiguraciju " L».

To je omogućilo instalaciju relativna konfiguracija optički stereoizomeri hemijskim putem. U ovom slučaju, derivatima D(+)-gliceraldehida se dodjeljuje D-relativna konfiguracija.

Na primjer, relativna konfiguracija mliječne kiseline je uspostavljena pretvaranjem gliceraldehida u mliječnu kiselinu.

Ispostavilo se da D(+)-gliceraldehid po konfiguraciji odgovara lijevoj D(-)-mliječnoj kiselini.

Apsolutna konfiguracija D-gliceraldehida je ustanovljena rendgenskom analizom tek 1951. godine. Ispostavilo se da je izbor njegove konfiguracije bio ispravan. Tako su sada postale poznate apsolutne konfiguracije mnogih supstanci.

Pored opisanog DL- nomenklatura za označavanje konfiguracije optičkih stereoizomera, tzv RS-nomenklatura Kahn, Ingold, Prelog, nije vezano za konfiguraciju referentne veze ("standard"). Opisano je u obrazovnoj literaturi.

Mliječna kiselina, CH 3 -CHOH-COOH

Mliječna kiselina se dobiva nitrilom mliječne kiseline ili mliječno kiselom fermentacijom slatkih tvari.

Koristi se u industriji kože i bojenju tkanina.

Jabučna kiselina

To je dvobazna, troatomna kiselina. U hemijskom smislu, pokazuje svojstva α- i β-hidroksi kiselina, budući da je hidroksil u α-položaju u odnosu na jednu kiselinsku grupu, a na β-položaju u odnosu na drugu. Kada se restaurira, daje jantarna kiselina, sa dehidracijom - maleinska ili fumarna:

HOOC - CH - CH - COOH → HOOC - CH \u003d CH - COOH + H 2 O

Jabučna kiselina ima jedan asimetrični atom ugljika i optički je aktivna.

Lijeva i desna jabučna kiselina se tope na 100°C. Racemat - na 130–131 °C. U prirodi se nalazi lijevi oblik jabučne kiseline: u planinskom pepelu, jabukama, grožđu.

vinske kiseline ( dihidroksisukcinska)

Imaju istu strukturnu formulu

i razlikuju se po prostornoj strukturi.

Kao što slijedi iz formule, vinska kiselina ima dva asimetrična atoma ugljika. Broj optičkih izomera za spojeve koji imaju nekoliko asimetričnih atoma ugljika u molekularnoj strukturi nalazi se po formuli N=2 n , Gdjenje broj asimetričnih atoma ugljika.

Stoga, za vinsku kiselinu treba očekivati četiri optička stereoizomera:

U skladu s pravilima za rukovanje formulama za projekciju, kada se posljednja dva oblika nalože jedan na drugi, ispostavlja se da su identični (jedan od oblika treba rotirati u ravnini crteža za 180 °). Dakle, umjesto četiri stereoizomerna oblika, vinska kiselina se realizuje u tri. Osim toga, treći stereoizomer (III) ispada optički neaktivan zbog svoje simetrije (slika prikazuje ravan simetrije): rotacija ravnine polarizacije svjetlosti uzrokovana gornjim tetraedrom potpuno je kompenzirana rotacijom donjeg tetraedra. tetraedar, koji je jednak po veličini, ali suprotan po predznaku. Pred nama je primjer stereoizomernog oblika sa asimetričnim atomima ugljika, optički neaktivnog zbog svoje simetrije. Takvi stereoizomeri se nazivaju mezoformi.

Stereoizomeri tvari koji nisu jedni drugima zrcalne slike nazivaju se dijastereoizomeri. Prema ovoj definiciji, prvi i drugi prostorni oblik vinske kiseline su dijastereomeri u odnosu na mezovinsku kiselinu (i obrnuto).

Zbog antipodi imaju istu (samo zrcalno inverznu) strukturu, njihova svojstva, sa izuzetkom njihovog odnosa prema polarizovanoj svjetlosti, također su ista. dijastereomeri nisu identične po svojoj prostornoj strukturi, pa su im svojstva donekle različita.

Završavajući analizu prostornog izomerizma vinske kiseline, možemo reći da je predstavljena sa dva antipoda (oblici I i II), njihovim racematom, nazvanim vinska kiselina, i dijastereomernom mezoformom (III).

Desnorotirajuća, (+)-vinska kiselina je vrlo česta u prirodi, posebno u soku od grožđa. Tokom fermentacije sok od grožđa oslobađa se u obliku tartara, koji se sastoji od kiselog kalijum tartrata.

Ova so se koristi kao jedka za bojenje i štampanje tekstila.

Druga, kalijum-natrijumova so (+)-vinske kiseline - takozvana Rochelle so,

koristi se kao piezokristal u radiotehnici. To je dio Fehlingove tekućine koja se koristi za analitičko određivanje redukcijskih sredstava (na primjer, aldehida).

Mezo-vinska kiselina se dobija zajedno sa kiselinom grožđa nekoliko sati ključanja (+)-vinske kiseline sa viškom kaustične sode.

Limunova kiselina

Često se nalazi u prirodi: u cvekli, ogrozdu, grožđu, limunu, malini, lišću duhana. Optički neaktivan.

Limunska kiselina se koristi u prehrambenoj industriji, bojanju, fotografiji, konzervaciji krvi itd.

aldonske kiseline

aldonske kiseline su polihidroksikarboksilne kiseline opšte formule HOCH 2 n COOH, koji su formalno produkti oksidacije aldehidne grupe ugljikohidrati(aldoza). Najtipičnija laboratorijska metoda za sintezu aldonskih kiselina je oksidacija lako dostupnih aldoza bromom u njegovoj vodenoj otopini.

Aldonske kiseline i njihovi derivati igraju važnu ulogu u sintetičkoj hemiji monosaharida.

Metode odvajanja racemata u optički aktivne komponente

Trenutno naglo raste potreba za enantiomerno čistim supstancama za proizvodnju savremenih visokoefikasnih medicinskih preparata, kao i za potrebe poljoprivrede i zaštite šuma: proizvodnju novih visokoaktivnih insekticida, herbicida, fungicida i drugih selektivnih supstanci protiv štetočina. kontrolu. Dobivanje enantiomerno čistih supstanci za ove svrhe moguće je ili razvojem metoda za njihovu potpunu hemijsku sintezu (mnoga dostignuća u ovoj oblasti su nagrađena Nobelovim nagradama za hemiju), ili razdvajanjem racemskih smeša. Razmotrimo principe nekih metoda za razdvajanje racemata na optički aktivne komponente.

– mehanički odabir. Tokom kristalizacije, racemati ponekad kristaliziraju odvojeno u desnom i lijevom obliku. Štaviše, njihovi kristali po formi se odnose jedni na druge kao objekt prema njegovoj zrcalnoj slici. U tom slučaju se mogu mehanički odabrati po izgledu.

– biohemijsko odvajanje. Zasniva se na činjenici da su mikroorganizmi u toku svoje životne aktivnosti u mogućnosti da preferencijalno konzumiraju samo jedan od optičkih izomera. Obično je ovaj optički oblik češći u prirodi. Stoga, tijekom razmnožavanja i klijanja gljivica u otopini racemata, nakon nekog vremena ostaje samo jedan optički aktivan oblik.

– Metode zasnovane na razlici u svojstvima dijastereomera

Dakle, soli antipoda optički aktivne kiseline sa istom optički aktivnom bazom treba da daju dijastereomere različite rastvorljivosti. To im omogućava da se razdvoje kristalizacijom.

Uvod

1. Optička aktivnost

1.1 Optički aktivne supstance

1.2 Fizički uzroci optičke aktivnosti

1.2 a. Fenomenološki model

1.2 b. Kvantna teorija

1.2 in. Korpuskularna teorija

2. Kiralni molekuli

2.1 Grupe tačaka simetrije

2.1 a. Vlastita os simetrije

2.1 b. Nepravilna osa simetrije

2.1 in. Vrste grupa tačaka simetrije

2.2 Simetrična definicija kiralnosti

2.3 Vrste kiralnosti

3. Nomenklatura enantiomera

3.1 Po konfiguraciji: R - i S

3.2 Optička aktivnost: +/-

3.3 Po konfiguraciji: D - i L-

4. Metode konfiguracije

4.1 Apsolutna definicija konfiguracije

4.1 a. Difrakcija rendgenskih zraka

4.1 b. Teorijski proračun optičke rotacije

4.2 Relativna definicija konfiguracije

4.2 a. Hemijska korelacija

4.2 b. Uspostavljanje relativne konfiguracije korištenjem fizičkih metoda

5. Metode odvajanja enantiomera

5.1 Cijepanje preko dijastereomera

5.2 Kromatografska rezolucija

5.3 Mehaničko cijepanje

5.4 Enzimska probava

5.5. Uspostavljanje optičke čistoće

Zaključak

Književnost

Uvod

Među organskim jedinjenjima postoje tvari sposobne da rotiraju ravninu polarizacije svjetlosti. Ova pojava se naziva optička aktivnost, a odgovarajuće supstance se nazivaju optički aktivne. Optički aktivne supstance se nalaze u obliku parova optičkih antipoda - izomera, čija su fizička i hemijska svojstva ista u normalnim uslovima, sa izuzetkom jednog - znaka rotacije ravni polarizacije. (Ako jedan od optičkih antipoda ima, na primjer, specifičnu rotaciju (+20 o, onda drugi ima specifičnu rotaciju - 20 o).

Optički izomerizam se pojavljuje kada je u molekuli prisutan asimetrični atom ugljika; ovo je naziv atoma ugljika vezan za četiri različita supstituenta. Moguća su dva tetraedarska rasporeda supstituenata oko asimetričnog atoma. Oba prostorna oblika ne mogu se kombinovati nikakvom rotacijom; jedan od njih je zrcalna slika drugog:

Ova vrsta izomerizma se naziva i optička izomerizam, zrcalna izomerizam ili enantiomerizam. Oba oblika ogledala čine par optičkih antipoda ili enantiomera.

Godine 1815. francuski fizičar Jean Baptiste Biot i njemački fizičar Thomas Seebeck ustanovili su da neke organske tvari (na primjer, šećer ili terpentin) imaju sposobnost da rotiraju ravan polarizacije svjetlosti, u kristalnom, tekućem, otopljenom pa čak i plinovitom stanju. (Ovaj fenomen je prvi put otkriven 1811. godine francuski fizičar François Dominique Arago u blizini kristala kvarca). Tako je dokazano da se optička aktivnost može povezati ne samo s asimetrijom kristala, već i s nekim nepoznatim svojstvom samih molekula. Pokazalo se da neka hemijska jedinjenja mogu postojati u obliku i desnog i levorukog oblika, a najpažljivija hemijska analiza ne otkriva nikakve razlike među njima. Ovo je bila nova vrsta izomerizma, koja se zvala optička izomerija. Ispostavilo se da pored desnog i ljevorukog, postoji i treća vrsta izomera - optički neaktivna. Ovo je 1830. godine otkrio poznati njemački hemičar Jens Jakob Berzelius na primjeru grožđane (dihidroksisukcinske) kiseline HOOC-CH (OH) - CH (OH) - COOH: ova kiselina je optički neaktivna, a vinska kiselina potpuno istog sastava ima pravu rotaciju u rastvoru. Kasnije je otkrivena "lijeva" vinska kiselina, koja se ne nalazi u prirodi - antipod desnorotatorne.

Optički izomeri se mogu razlikovati pomoću polarimetra - uređaja koji mjeri ugao rotacije ravnine polarizacije. Za otopine ovaj kut linearno ovisi o debljini sloja i koncentraciji optički aktivne tvari (Biotov zakon). Za različite tvari, optička aktivnost može varirati u vrlo širokom rasponu. Dakle, u slučaju vodenih otopina različitih aminokiselina na 25°C, specifična aktivnost (označena je kao D i mjeri se za svjetlost talasne dužine od 589 nm pri koncentraciji od 1 g/ml i debljini sloja od 10 cm) je - 232° za cistin, - 86, 2° za prolin, -11,0° za leucin, +1,8° za alanin, +13,5° za lizin i +33,2° za asparagin.

Savremeni polarimetri omogućavaju merenje optičke rotacije sa veoma visokom preciznošću (do 0,001°). Takva mjerenja omogućuju brzo i precizno određivanje koncentracije optički aktivnih tvari, na primjer, sadržaja šećera u otopinama u svim fazama njegove proizvodnje - od sirovih proizvoda do koncentriranih otopina i melase.

Optička aktivnost kristala fizike bila je povezana s njihovom asimetrijom; potpuno simetrični kristali, kao što su kubični kristali soli, optički su neaktivni. Razlog za optičku aktivnost molekula dugo je ostao potpuno misteriozan. Prvo otkriće koje je rasvijetlilo ovaj fenomen 1848. godine napravio je tada nepoznati Louis Pasteur. Pasteur, koji je identificirao dva antipoda vinske kiseline, koji su nazvani enantiomeri (od grčkog enantios - suprotno). Pasteur je za njih uveo oznake L - i D-izomera (od latinskih riječi laevus - lijevo i dexter - desno). Kasnije je njemački kemičar Emil Fischer povezao ove oznake sa strukturom dva enantiomera jedne od najjednostavnijih optički aktivnih supstanci - gliceraldehida OHCH2-CH (OH) - CHO. Godine 1956., na prijedlog engleskih hemičara Roberta Kahna i Christophera Ingolda i švicarskog hemičara Vladimira Preloga, uvedene su oznake S (od lat. sinister - lijevo) i R (lat. rectus - desno) za optičke izomere; Racemat je označen simbolom RS. Međutim, prema tradiciji, stare oznake se također široko koriste (na primjer, za ugljikohidrate, aminokiseline). Treba napomenuti da ova slova označavaju samo strukturu molekula ("desni" ili "lijevi" raspored određenih hemijskih grupa) i nisu u vezi sa smjerom optičke rotacije; potonji je označen znakovima plus i minus, na primjer, D (-) - fruktoza, D (+) - glukoza.

Teoriju koja objašnjava razliku između antipodnih molekula kreirao je holandski naučnik van't Hoff. Prema ovoj teoriji, molekuli, kao i kristali, mogu biti "desni" i "lijevi", kao zrcalna slika jedni drugih. Takve strukture, koje se međusobno razlikuju kao desna ruka od lijeve, nazivaju se kiralnim (od grč. nasljednik - ruka). Dakle, optička aktivnost je posljedica prostornog izomerizma (stereoizomerizma) molekula.

optički izomerizam evantiomerna kiralnost

Van't Hoffova teorija, koja je postavila temelje moderne stereohemije, dobila je opšte priznanje, a njen tvorac 1901. godine postao je prvi dobitnik Nobelove nagrade za hemiju.

1. Optička aktivnost

Optička aktivnost je sposobnost medija (kristali, rastvori, pare supstance) da izazove rotaciju ravni polarizacije optičkog zračenja (svetlosti) koje prolazi kroz njega.

Manifestira se u onim slučajevima kada su izomeri istog spoja u vezi sa različitim pozicijama supstituenata siguran centar, nije kompatibilan u prostoru. Za derivate alifatske serije, izomerizam je povezan sa stereohemijskim karakteristikama sp 3 hibridnog atoma ugljenika.

Čak je i Le Bel krajem 18. veka sugerisao tetraedarsku strukturu atoma ugljenika. Ako je atom ugljika povezan sa četiri različita supstituenata, postoji mogućnost postojanja 2 izomera, koji su jedan drugog u ogledalu.

Ugljikov atom koji ima sve različite supstituente naziva se asimetrično ili chiral centar ("hiros" - ruka).

Razmotrimo primjer obećavajućih formula:

Stereoizomeri I i II nisu kompatibilni u prostoru, antipodi su ili optički izomeri ( enantiomeri, stereomeri).

Formule Fisherove projekcije

Razmotrimo perspektivne formule u drugoj ravni.

Postavimo asimetrični centar (atom ugljika) u ravninu ploče; poslanika a I b iza ravnine lima ( od posmatrač); poslanika f I d iznad ravnine lima ( bliže posmatrač) - u skladu sa strelicama koje pokazuju smjer pogleda posmatrača. Dobijamo međusobno okomit smjer veza s kiralnim centrom. Takva konstrukcija izomera naziva se formulama Fisherove projekcije.

Dakle, u Fišerovim formulama za projekciju supstituenti koji se nalaze horizontalno su usmereni prema posmatraču, a vertikalno - izvan ravnine ploče.

Prilikom konstruiranja projekcijskih formula, najobimniji supstituenti su raspoređeni okomito. Ako su supstituenti atomi ili male grupe koje nisu povezane s glavnim lancem, tada su raspoređeni horizontalno. Za 2-bromobutan

postoje dva antipod:

Enantiomeri, antipodi, stereomeri se praktično ne razlikuju po svojstvima (t ključanja, t topljenja, itd.), a imaju i slične termodinamičke konstante. Istovremeno, oni imaju razlike:

4) - čvrsti antipodi kristaliziraju se formiranjem kristala koji su međusobno zrcalni, ali nisu kompatibilni u prostoru.

5) - antipodi rotiraju ravninu polarizirane svjetlosti pod istim uglom, ali u različitim smjerovima. Ako je kut rotacije svjetlosti pozitivan (u smjeru kazaljke na satu), onda se antipod naziva desnorotirajući, ako je negativan (u smjeru suprotnom od kazaljke na satu), onda je lijevo.

Ugao optičke rotacije ravni polarizovane svetlosti označava se sa [ α D]. Ako [ α D]= -31,2°, tada je proučavan levorotatorni antipod.

Polarimetarski uređaj

Supstance sposobne da rotiraju ravan polarizovane svetlosti nazivaju se optički aktivne ili optički aktivne.

Smjesa dva enantiomera u omjeru 1:1 ne rotira ravan polarizirane svjetlosti i naziva se racemska smjesa, racemat.

Ako jedan antipod prevladava nad drugim u smjesi, onda se govori o njegovoj optičkoj čistoći (ee). Izračunava se na osnovu razlike u sadržaju enantiomera u smeši.

II - 30%, ee=70 - 30 = 40 (%)

Sekundarni i tercijarni amini može imati i optičku aktivnost. Četvrti supstituent je usamljeni par elektrona na atomu dušika.

5.4.1 Diastereomeri

Dijastereometrija je pojava koja ima značajniji uticaj na svojstva supstanci i uočava se u slučajevima kada u spoju postoje dva ili više asimetričnih centara. Na primjer:

4-kloropentanol-2

Hajde da prikažemo sve moguće antipode za povezivanje (I-IV):

Optički izomeri (stereoizomeri) istog spoja koji nisu antipodi nazivaju se dijastereomeri. Odnosno, parovi izomera I i III, I i IV, II i III, II i IV su dijastereomerni parovi. Broj izomera izračunava se po formuli: q = 2 n, gdje je

q je ukupan broj stereoizomera,

n je broj asimetričnih centara (C*).

Na primjer, glukoza ima 4 kiralna centra, zatim q = 2 4 = 16 (D-glukoza - 8 izomera, L-glukoza - 8 izomera).

D-glukoza

U prirodi postoje slučajevi kada asimetrični atomi u spoju imaju isto okruženje. To dovodi do činjenice da polovina antipoda nije optički aktivna.

vinska kiselina

å α =0 å α =0 å α =2α å α =-2α

mesoform

Mezoform je optički neaktivan oblik koji je rezultat unutrašnje simetrije u optički aktivnoj tvari.

Za razliku od antipoda, dijastereomeri se razlikuju po tački ključanja, gustoći (d 4 20), indeksu prelamanja (n 4 20) itd.